ОШИНОВКА ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ Российский патент 2002 года по МПК C25C3/16 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия в электролизерах, соединенных друг с другом в последовательную электрическую цепь, при продольном или поперечном размещении их в корпусе.

Соединение электролизеров осуществляется системой токопроводящих шин, одним из основных требований к которой является формирование в расплаве оптимального магнитного поля, оказывающего минимальное отрицательное влияние на технологический процесс.

Известна ошиновка алюминиевого электролизера при продольном расположении в корпусе, содержащая анодные шины, стояки, пакеты катодных шин групп стержней, ближних к входному торцу катодного устройства, соединены со стояками, расположенными у входного торца, а остальные группы катодных стержней - со стояками, расположенными вдоль бортов катодного кожуха последующего электролизера (патент СССР N 738518, кл. С 25 С 3/16, 1980).

Известна также ошиновка электролизера для получения алюминия при поперечном расположении в корпусе, содержащая сборные шины с катодными спусками, установленными вдоль входной и выходной продольных сторон электролизера, в которой анодная ошиновка соединена с предыдущим электролизером посредством равноотстоящих стояков, расположенных на его входной стороне, через которые протекают одинаковые токи так, что каждый стояк питает анодную ошиновку в точке, вокруг которой симметрично расположено одинаковое количество анодов, при этом крайние стояки соединены с крайними сборными шинами входной стороны электролизера пакетами шин, расположенными вдоль торцевых сторон, каждый из которых передает 35% тока входной стороны, и со средними сборными шинами выходной стороны электролизера, а средние стояки соединены со средними сборными шинами входной стороны пакетами шин, размещенными симметрично под днищем электролизера, каждый из которых передает 15% тока входной стороны, и со сборными шинами выходной стороны, при этом пакеты катодных шин, проходящие под днищем, приближены на входной стороне к торцам электролизера, а на выходной стороне - к его середине (патент РФ N 2009275, кл. С 25 С 3/16, публикация 15.03.1994 г.).

Общим недостатком указанных технических решений является отрицательное влияние электромагнитных сил на расплавленный алюминий вблизи анодных стояков, обусловленное воздействием их магнитного поля, которое приводит к снижению производительности электролизеров, а также сокращению срока их службы из-за разрушения бортовой футеровки вблизи анодных стояков.

Толщина слоя расплава в алюминиевом электролизере намного меньше горизонтальных размеров ванны, в связи с чем при оценке влияния циркуляционных потоков расплава на работу электролизера согласно теории "мелкой воды" вертикальными циркуляционными потоками можно пренебречь и рассматривать только горизонтальные, планарные потоки циркуляции расплава.

Известно, что поле скоростей в рабочей зоне электролизера определяется особенностями распределения электромагнитной силы, для характеристики которой наиболее подходящим является ротор электромагнитной силы

где вектор плотности тока;
вектор магнитной индукции.

Вертикальная (z-составляющая) ротора электромагнитной силы будет определять планарную циркуляцию металла:

В свою очередь планарные электромагнитные силы определяются из выражений:
F_y = j_z • B_x - j_x • B_z,
F_x = i_y • B_z - j_x • B_y.

Используя (2), (3) и (4), получим

Как видно из выражения (5), скорость планарных циркуляционных потоков расплава в электролизной ванне зависит от величин и градиентов всех составляющих напряженности магнитного поля и плотности тока относительно планарных осей ванны.

Значительное влияние на магнитное поле в расплаве электролизера оказывают проводники ошиновки, в которых сосредотачивается наибольшее количество тока серии, и которые располагаются относительно близко к расплаву. К таким проводникам, в первую очередь, следует отнести анодные стояки. По одному анодному стояку, как правило, проходит от 20% до 50% тока серии. В связи с тем что магнитное поле от проводника с током распространяется по экспоненциальному закону, то вблизи анодного стояка в расплаве всегда имеет место не только сильное магнитное поле, но и значительная его неоднородность, которая выражается градиентом.

Значения 5-го и 8-го члена выражения (5) указывают на существенное влияние градиента горизонтальных компонент магнитного поля (H_x, H_y) относительно планарных осей и вертикальной составляющей плотности тока (j_z) на скорость и характер циркуляционных потоков в расплаве электролизной ванны вблизи анодных стояков.

Так, у продольно расположенных в корпусе электролизеров с анодными стояками, установленными в торцах ванны, ротор электромагнитных сил имеет большую величину в расплаве вблизи анодных стояков, обусловленную 5-м членом выражения (5), а при расположении стояков в области продольных сторон - 8-м членом выражения (5). Для электролизеров поперечного расположения со стояками, установленными вдоль входной стороны, большая величина ротора сил в расплаве вблизи анодных стояков будет определяться 8-м членов выражения (5).

Практика эксплуатации промышленных электролизеров показывает, что интенсивная циркуляция расплава в области анодных стояков, обусловленная влиянием магнитного поля последних, во-первых, оказывает отрицательное влияние на выход металла по току из-за обратного окисления алюминия, а во-вторых, затрудняет формирование защитного бортового гарнисажа вблизи стояков в результате ухудшения однородности теплового поля в рабочей зоне ванны. В связи с отсутствием устойчивой настыли вблизи анодных стояков происходит разрушение бортовых блоков, вплоть до протеков расплава через борт ванны, что снижает срок службы электролизеров.

Уменьшение отрицательного влияния магнитного поля анодных стояков можно достигнуть следующими способами:
- удалением анодных стояков от ванны;
- умножением количества стояков в конструкции ошиновки.

В обоих случаях это приведет к увеличению размеров ошиновки, ее веса, усложнению конструкции, а значит к значительному удорожанию. Кроме того, указанные изменения в ошиновке требуют отключений серий электролиза на период реконструкции, что также связано с существенными финансовыми затратами.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение выхода алюминия по току и обеспечение более устойчивого бокового гарнисажа, защищающего бортовую футеровку от разрушения.

Достижение технического результата обеспечивается за счет того, что ошиновка последовательно соединенных алюминиевых электролизеров, содержащая установленные вдоль продольных сторон электролизера сборные катодные шины с катодными спусками, подключенными к анодным шинам следующего в ряду электролизера посредством анодных стояков, снабжена экранами из ферромагнитного материала, которые расположены между анодными стояками и электролизером, экраны выполнены многослойными и в плане имеют форму трапеции или треугольника.

На фиг. 1 показана схема ошиновки с ферромагнитными экранами; на фиг. 2 представлена диаграмма рассчитанной продольной (B_x) компоненты магнитного поля в расплавленном алюминии при отсутствии ферромагнитных экранов между стояками и расплавом; на фиг. 3 - диаграмма B_x компоненты магнитного поля в расплавленном алюминии при наличии ферромагнитных экранов по заявке.

Пример ошиновки на фиг. 1 показан для катодного устройства одного электролизера 1 и анодного устройства последующего в серии электролизера 2. Направление тока серии символически обозначено с помощью стрелки. Ошиновка содержит установленные вдоль продольных сторон электролизера 1 сборные катодные шины 3 с катодными спусками 4, подключенными к анодным шинам 5 следующего в ряду электролизера 2 посредством анодных стояков 6, между стояками 6 и расплавом электролизера 2 установлены ферромагнитные экраны 7.

Устройство работает следующим образом, ток по сборным катодным шинам 3, установленным вдоль продольных сторон электролизера 1 и имеющим катодные спуски 4, поступает в анодные шины 5 следующего в ряду электролизера через анодные стояки 6. Анодные стояки 6, в которых проходит по 25% тока серии, генерируют вокруг себя большое по величине, неоднородное магнитное поле. Экраны 7, выполненные из ферромагнитного материала, защищают расплав электролизера 2 от отрицательного воздействия магнитного поля стояков 6. Треугольная или трапециевидная форма экранов 7 в плане обеспечивает снижение значения и градиента магнитного поля в расплаве электролизера 2, что создает условия для повышения магнитогидродинамической стабильности расплава в области стояков и устойчивости защитного бортового гарнисажа.

Как видно на фиг. 2, анодные стояки 6, по которым проходит по 25% тока серии, создают в ближних к ним областях расплавленного алюминия неоднородное (с высоким градиентом) продольное (В_x) магнитное поле, которое является причиной повышенной активности металла и ухудшения однородности теплового поля. На фиг. 3 видно, что многослойные экраны 7, выполненные из ферромагнитного материала, в магнитном поле от анодных стояков намагничиваются таким образом, что собственным магнитным полем снижают не только абсолютное значение поля в расплаве вблизи стояков, но и увеличивают однородность поля по этой же компоненте (снижают градиент).

Если возле анодных стояков без экранов поле по B_x достигает значений в 150-170 Гс, то при наличии экранов - 120-130 Гс, а градиент снижается примерно на 30%. В результате влияния экранов активность расплава вблизи анодных стояков снижается, что способствует повышению выхода алюминия по току и обеспечивает более устойчивый бортовой гарнисаж, защищающий бортовую футеровку от разрушения.

Весомым преимуществом настоящего изобретения является возможность его применения на действующих сериях электролиза без отключения электролизеров и снижения выпуска металла.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия в электролизерах, соединенных друг с другом в последовательную электрическую цепь при любом - продольном или поперечном - размещении их в корпусе. Ошиновка содержит установленные вдоль продольных сторон электролизера сборные катодные шины с катодными спусками, подключенными к анодным шинам следующего в ряду электролизера посредством анодных стояков. Между анодными стояками и электролизером установлены ферромагнитные экраны. Экраны выполнены многослойными и в плане имеют форму трапеции или треугольника, обращенного основанием к анодному стояку. Техническим результатом является повышение выхода алюминия по току и обеспечение более устойчивой бортовой настыли, защищающей бортовую футеровку от разрушения. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ошиновка электролизера для получения алюминия, содержащая установленные вдоль продольных сторон электролизера сборные катодные шины с катодными спусками, подключенными к анодным шинам следующего в ряду электролизера посредством анодных стояков, отличающаяся тем, что между анодными стояками и электролизером установлены ферромагнитные экраны. 2. Ошиновка по п. 1, отличающаяся тем, что экраны выполнены многослойными. 3. Ошиновка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что экраны в плане имеют форму трапеции или треугольника.